CN103269068B - 一种光电直流微网电源装置及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种直流母线光电实时汇流系统及控制方法，属于分布式光伏直流微网电源领域，包括直流输入源，直流输入源与单向整流控制器相连，单向整流控制器的输出端和母线电容组相连。母线电容组的输入端与DC/DC变换器相连，DC/DC变换器用于实现对光伏电池板的输出功率的调节。母线电容组的两端和放电电路并联，同时母线电容组的输出端和直流负载相连。通过对母线电容组的电压多级滞环控制，确定系统的工作方式，从而实现直流稳压输出，保证负载供电正常；在保证输出电压稳定的前提下，将光伏电池板作为辅助能源，实现光伏能量与直流输入源的实时汇流，提高能源利用率、降低发电成本，减小环境污染，具有很好的通用性和实用价值。
Description
技术领域
本发明涉及一种光电直流微网电源装置及控制方法。属于分布式光伏直流微网电源领域，尤其涉及一种光电直流微网电源装置及控制方法。
背景技术
光电直流微网电源装置及控制方法属于微网电源范畴，保证输出电压稳定是微网电源的一种重要技术指标。使用光伏与电网互补型发电，是分布式发电技术中的一个重要分支。
目前，光伏与电网互补型发电装置多是将光伏电池板发出的能量为主，电网为辅助能源的方式，因光伏能量的间断性，较难维持输出母线电压的稳定。而其他形式的直流微网电源，往往需要增加蓄电池等附加设备来维持输出端的稳定供电，结构复杂，成本高，回收周期长。尤其在具有广阔的市场潜力的中小功率等级的民用市场上，高成本已成光伏的代名词，严重阻碍了光伏市场的发展。
发明内容
本发明的目的是针对分布式光伏直流微网电源的特点，在保证负载供电正常的前提下，提供一种结构简单、成本低、通用性强的光电直流微网电源装置及控制方法。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供一种光电直流微网电源装置及控制方法，包括全桥整流器，全桥整流器的输入端接入电网，输出端通过功率因子校正单元实现输入电流和电网电压同步以及直流母线电压的稳定。Boost变换器的输入端连接在光伏电池板的两端，输出端接入直流母线电容组。直流母线电压通过隔离DC/DC变换器实现输出直流电压的升压或降压。主控单元通过采样保护单元实现对功率因子校正单元、Boost变换器及隔离DC/DC变换器的控制。并利用串口总线和液晶显示模块进行通讯，实时显示系统的工作情况，辅助电源单元从直流母线处接出，为整个直流电源装置供电。
由电网、全桥整流器、功率因子校正单元及母线电容组构成的电网供电支路足以满足负载供电需求。由光伏电池板和Boost变换器组成的光伏支路的输出功率不受负载功率限制。
采用多级母线电压解耦控制，将电网支路和光伏支路解耦，并实时将光伏能量以最大化的形式向负载供电。电网电压Uac接入PLL锁相环获得和电网同步半波正弦表，母线电容组电压Udc和一次母线电压给定值Udc_ref1比较，差值输入到PI控制器1中。PI控制器1输出值作为半波正弦表的幅值，经乘法器后获取电感电流的给定值Idc1_ref，电感电流的给定值Idc1_ref与实测电感电流Idc1比较，偏差输入到PI控制器2中，转换成所需的占空比来驱动Boost变换器，从而实现电网电压Uac和电感电流Idc1同步，并保持母线电压Udc稳定；光伏电压Upv，电流Ipv输入到MPPT控制器中，获得光伏最大功率点电流参考值Ipv_ref1。母线电容组电压Udc和二次母线电压给定值Udc_ref2比较，差值输入到变参数PI控制器3中获取参考值Ipv_ref2。光伏最大功率点电流参考值Ipv_ref1和Ipv_ref2求和后作为光伏电流输出参考值Ipv_ref。光伏电流输出参考值Ipv_ref和实测光伏电流Ipv比较后，输入到PI控制器4中获取所需占空比驱动Boost变换器。
多级母线电压解耦控制中，二次母线电压给定值Udc_ref2大于一次母线电压给定值Udc_ref1，当光伏能量注入母线电压时，母线电压Udc升高，使得Idc1_ref减小，从而减小电网支路的电路注入。当母线电压大于或等于Udc_ref1时，Idc1_ref减小到零，电网支路无电流注入。当母线电压Udc大于二次母线电压给定值Udc_ref2时，Ipv_ref2小于零，光伏电流输出参考值Ipv_ref减小，减小光伏支路的电流注入保持母线电压在给定范围内。
变参数PI控制器3，在母线电压Udc小于二次母线电压给定值Udc_ref2时，比例和积分参数均为零，光伏支路控制降级为纯MPPT控制环。当母线电压Udc大于二次母线电压给定值Udc_ref2时，比例和积分参数均不为零，减小光伏电流输出参考值Ipv_ref。
隔离DC/DC变换器采用移相全桥电路，直流输出电压Uo与直流输出电压参考值Uo_ref比较，偏差输入到PI控制器5和10ms均值P控制器中，获取相角，实现对输出电压的调节。
本发明有益效果有：
1、在保证输出电压稳定的前提下，将光伏电池板作为辅助能源，最大限度的利用了太阳能发电，降低负载对电网的用电量。
2、电网侧使用单向整流单元，光伏电池能量无法向电网馈电实现对电网的零孤岛。
3、系统无蓄电池等储能环节，极大降低了光伏发电的使用成本，减小环境污染。
4、输出端采用闭环移相全桥控制方式，能够实现多种直流输出，具有具有很好的通用性和使用价值。
附图说明
图1为本发明提供的一种光电直流微网电源装置的系统框图；
图2为本发明提供的一种光电直流微网电源装置的具体电路图；
图3为本发明提供的一种光电直流微网电源装置的电网支路控制框图；
图4为本发明提供的一种光电直流微网电源装置的光伏支路控制框图；
图5为本发明提供的一种光电直流微网电源装置的输出控制框图；
具体实施方式
为使本发明更明显易懂，兹以一优选实施例，并配合附图做详细说明如下。
本发明的目的是针对分布式光伏直流微网电源的特点，设计了一种结构简单、成本低、通用性强的光电直流微网电源装置及控制方法。该装置的结构如图1所示，包括全桥整流器，全桥整流器的输入端接入电网，输出端通过功率因子校正单元实现输入电流和电网电压同步以及直流母线电压的稳定。Boost变换器的输入端连接在光伏电池板的两端，输出端接入直流母线电容组。直流母线电压通过隔离DC/DC变换器实现输出直流电压的升压或降压。主控单元通过采样保护单元实现对功率因子校正单元、Boost变换器及隔离DC/DC变换器的控制。并利用串口总线和液晶显示模块进行通讯，实时显示系统的工作情况，辅助电源单元从直流母线处接出，为整个直流电源装置供电。
图2为一种光电直流微网电源装置的具体电路图，该电路包括全桥整流器102，由第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3及第四二极管D4组成。功率因子校正单元包括第一电容C1、第二电感L2、第二功率开关管Q2及第六二极管D6。第三电容C3、第四电容C4、第五电容C5构成母线电容组104。Boost变换器由第一电感L1、第一功率开关管Q1及第五二极管D5组成。隔离DC/DC变换器202包括，第三功率管Q3、第四功率管Q4、第五功率管Q5、第六功率管Q6。续流二极管D7、D8、D9、D10分别并联在Q3、Q4、Q5、Q6的两端。电容C6、C7、C8、C9和第三电感L3及变压器T1组成谐振回路。二极管D11、D12、D13、D14组成全桥整流电路，将变压器T1两端的高频脉冲变为直流脉动波形，通过由第四电感L4和第十电容C10构成的低通滤波器后，输出直流信号。
采用图2电路图结构时，采用保护单元301采集电网电压Uac、电感电流Idc1、母线电容组电压Udc、光伏电压Upv、光伏电流Ipv及直流输出电压Uo，驱动信号包括Boost变换器202驱动T1、功率因子校正单元103驱动T2、隔离DC/DC变换器驱动T3，T4，T5，T6。
图3为一种光电直流微网电源装置的电网支路控制框图，电网电压Uac接入PLL锁相环获得和电网同步半波正弦表，母线电容组电压Udc和一次母线电压给定值Udc_ref1比较，偏差输入到PI控制器1中。PI控制器1输出值作为半波正弦表的幅值决定驱动信号PWM的占空比，经乘法器后获取电感电流的给定值Idc1_ref，电感电流的给定值Idc1_ref与实测电感电流Idc1比较，偏差输入到PI控制器2中，转换成所需的占空比，通过驱动放电电路后给出功率因子校正单元103驱动信号T2，驱动Boost变换器，从而实现电网电压Uac和电感电流Idc1同步，并保持母线电压Udc稳定；
图4为一种光电直流微网电源装置的光伏支路控制框图，光伏电压Upv，电流Ipv输入到MPPT控制器中，获得光伏最大功率点电流参考值Ipv_ref1。母线电容组电压Udc和二次母线电压给定值Udc_ref2比较，差值输入到变参数PI控制器3中获取参考值Ipv_ref2。光伏最大功率点电流参考值Ipv_ref1和Ipv_ref2求和后作为光伏电流输出参考值Ipv_ref。光伏电流输出参考值Ipv_ref和实测光伏电流Ipv比较后，输入到PI控制器4中获取所需占空比驱动信号T1，驱动Boost变换器实现对光伏电池板的输出电流的调节。
在母线电压Udc小于二次母线电压给定值Udc_ref2时，变参数PI控制器3的比例和积分参数均为零，光伏支路控制降级为纯MPPT控制环。当母线电压Udc大于二次母线电压给定值Udc_ref2时，比例和积分参数均大于零，且偏差Ipv_ref2为负，光伏电流输出参考值Ipv_ref为经过MPPT控制算法的电流参考值Ipv_ref1加上Ipv_ref2，实现减小光伏电流输出参考值Ipv_ref的目的。
光伏支路处于MPPT控制方式时，Boost变换器202处于最大功率点跟踪控制方式，为了减小输入电容的纹波，该最大功率点跟踪算法采用电流式扰动观察法，通过控制光伏电池板201的输出参考电流Ipv_ref实现最大功率点跟踪控制。
图5为一种光电直流微网电源装置的输出控制框图，直流输出电压Uo与直流输出电压参考值Uo_ref比较，经过实时PI控制器5和10ms均值P控制器的运算获取控制相角，可以兼顾系统的快速性和鲁棒性，实现对输出电压的调节。
以上所述仅为本发明的较佳实例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种光电直流微网电源装置，其特征在于：包括全桥整流器(102)，全桥整流器(102)的输入端接入电网(101)，输出端通过功率因子校正单元(103)实现输入电流和电网电压同步以及直流母线电压的稳定，Boost变换器(202)的输入端连接在光伏电池板(201)的两端，输出端接入直流母线电容组(104)，利用多级母线电压控制，实现电网和光伏的解耦，并保持母线电压的稳定，直流母线电压通过隔离DC/DC变换器(202)实现输出直流电压的升压或降压，主控单元(302)通过采样保护单元(301)实现对功率因子校正单元(103)、Boost变换器(202)及隔离DC/DC变换器(202)的控制，利用串口总线将主控单元(302)与液晶显示模块(304)进行通讯，实时显示系统的工作情况，辅助电源单元(303)从直流母线处接出，为整个直流电源装置供电；
由电网(101)，全桥整流器(102)，功率因子校正单元(103)及母线电容组(104)组成的电网供电支路足以满足负载供电需求，由光伏电池板(201)和Boost变换器(202)组成的光伏支路的输出功率不受负载功率限制；
多级母线电压解耦控制分为电网支路控制和光伏支路控制，电网电压Uac接入PLL锁相环获得和电网同步半波正弦表，母线电容组电压Udc和一次母线电压给定值Udc_ref1比较，差值输入到PI控制器(1)中，PI控制器(1)输出值作为半波正弦表的幅值，经乘法器后获取电感电流的给定值Idc1_ref，电感电流的给定值Idc1_ref与实测电感电流Idc1比较，偏差输入到PI控制器(2)中，转换成所需的占空比来驱动Boost变换器，从而实现电网电压Uac和电感电流Idc1同步，并保持母线电压Udc稳定，光伏电压Upv，电流Ipv输入到MPPT控制器中，获得光伏最大功率点电流参考值Ipv_ref1，母线电容组电压Udc和二次母线电压给定值Udc_ref2比较，差值输入到变参数PI控制器(3)中获取参考值Ipv_ref2,光伏最大功率点电流参考值Ipv_ref1和Ipv_ref2求和后作为光伏电流输出参考值Ipv_ref，光伏电流输出参考值Ipv_ref和实测光伏电流Ipv比较后，输入到PI控制器(4)中获取所需占空比驱动Boost变换器；
多级母线电压解耦控制中，二次母线电压给定值Udc_ref2大于一次母线电压给定值Udc_ref1，当光伏能量注入母线电压时，母线电压Udc升高，使得Idc1_ref减小，从而减小电网支路的电路注入，当母线电压大于或等于Udc_ref1时，Idc1_ref减小到零，电网支路无电流注入，当母线电压Udc大于二次母线电压给定值Udc_ref2时，Ipv_ref2小于零，光伏电流输出参考值Ipv_ref减小，减小光伏支路的电流注入保持母线电压在给定范围内。
2.如权利要求1所述的一种光电直流微网电源装置，其特征在于：所述的变参数PI控制器3，在母线电压Udc小于二次母线电压给定值Udc_ref2时，比例和积分参数均为零，光伏支路控制降级为纯MPPT控制环，当母线电压Udc大于二次母线电压给定值Udc_ref2时，比例和积分参数均不为零，减小光伏电流输出参考值Ipv_ref。
3.如权利要求1所述的一种光电直流微网电源装置，其特征在于：所述的隔离DC/DC变换器(202)采用移相全桥电路，直流输出电压Uo与直流输出电压参考值Uo_ref比较，偏差输入到PI控制器5和10ms均值P控制器中，获取相角实现对输出电压的调节。
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